|
|
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑
3 \. W1 v6 X. |- o) e+ h |1 e1 K' w' O
中国航空科技正在起飞，令人振奋的新飞机在不断飞向天空。应该先走一步的航空发动机还没有取得同样令人振奋的成就，但也在逐渐看到隧道的尽头。中国的航发研发重点集中在战斗机和运输机的涡扇，如WS15和CJ1000，直升机的涡轴也有起色，但螺旋桨飞机的涡桨还是重灾区。这无疑是现有航发研发的重点所决定的。战斗机是国之重器，战斗机发动机的研发自然优先。民航客机的成败最终取决于发动机，这也是中国制造2025的重点之一，也需要优先。直升机是中国航空的短板，直升机发动机的优先等级正在提高。但螺旋桨飞机也需要成为重点，而且原因很多。
7 v5 G3 Y$ S% x' M1 E% E7 K9 X8 k% k, u8 M0 J2 C- g
![]() ' H9 Q0 c1 q8 |% n* _
中国航空是最近20年世界上发展最快的，在大力解决喷气发动机短板的同时，切莫忘记涡桨/ d& S% W5 D9 t7 m& o2 d/ J# V
4 b" N7 ^( b( Q$ E! \+ G& c* _![]() - w! p2 v+ \* v: _3 E+ {8 V2 {( r- N
' Z. S( W/ E# |" @7 ^; y
![]()
3 U* S$ ?$ q- N9 C" b8 q7 VC-130的野战机场起落功夫得益于涡桨
1 s3 E+ M% Y6 J' A" t0 l8 _% X
1 L8 M8 m% z; L; a; C# C& z4 ]![]() # r$ S8 b' y: A4 i
先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”
& O3 {, \% n4 a% ?- F, j! d# \9 C, O4 ]7 G! \ }
螺旋桨可由涡桨发动机或者活塞式发动机驱动，涡桨比活塞式的重量轻、功率大、升限高、运转平稳，活塞式通常只用于小功率场合。相对于喷气式飞机来说，涡桨飞机速度慢，噪声大，但省油、起飞着陆距离短，在不少场合具有独特的优越性。尽管有巴西KC-390、日本C-2、乌克兰安-72的存在，主流战术运输机如C-130、A400M、C-27等依然是涡桨的，正是因为其独特的优点。0 a) i& _' U* e; m$ \
6 b3 D- a7 W, I; ^) ^: B涡桨的使用灵活。除了常见的机翼上安装的双发、四发，还有机头安装的单发。螺旋桨不仅有常见的拉进，还有桨叶在后的推进。
/ z/ L3 U+ d# _! A! H
% N' Z! Y( C9 u: G![]()
/ m% T; f* c9 _
# @% X3 E8 n6 v4 o1 }0 u& v![]()
+ k! U3 S6 V* {. K0 F6 t8 [' C, g' d: |- v0 {
![]() . U3 u4 z0 N9 ?: y8 `; |
就像中国通过手机在电话通信上弯道超车一样，通用航空在中国也有巨大的发展潜力，帮助解决偏远地区的交通问题
& }$ H& B* E$ s+ R8 ?8 G) s$ Q' T. j" v' o2 @1 D; q- M
除了军用运输机，通用航空也是涡桨的主要市场。中国幅员广大，地形复杂，通用航空大有可为，但通用航空的发展不仅受到法规、机场的限制，更受到飞机尤其是发动机的限制。在庞大的中国航空工业产品谱系中，并没有通用航空多少位置，适用的先进涡桨更是稀缺。. A: x0 B. r0 U5 j: r3 a
5 ^1 x0 U% \0 z$ e1 n: U' P
随着无人机的兴起，涡桨具有了新的重要性。小型无人机可用活塞式甚至电池驱动，较大的无人机大多采用涡桨，典型的如美国的“捕食者”系列。喷气式的推力更大，但较费油，而且不适宜低速飞行，特别追求长航时、大航程的察打一体无人机还是涡桨驱动为多。中国由于缺乏合适的中小功率涡桨发动机，被迫使用功率小、性能受限的活塞式发动机，严重限制了性能。比如说，“彩虹5”与MQ-9“捕食者”大小和重量相似，“彩虹5”使用涡轮增压的活塞式发动机，功率只有“捕食者”的加莱特TPE331涡桨的一半，在翼展相似的情况下，有效载荷降低60%，升限从15000米降低到9000米，不仅限制了对地视界和增加巡航阻力，也限制了高原起飞性能，好在续航时间从14小时延长到60小时。
( r& A3 J' Z8 I, I* } ^0 D. M& S$ K2 G
![]() & J7 S& Q: T: L/ A/ Z( [2 N
7 d" |: k/ @! a. C, ?2 [![]()
8 U& E# e6 Q2 ^, M在布局、大小和任务相差不多的情况下，采用涡桨的MQ-9（上）的升限和载荷显著高于采用活塞式发动机的彩虹-5（下）) Z& e& h4 S' A- \9 e. R" M
" | ~& C; Z$ a0 Q/ `7 I9 h& {中国也缺乏先进的大功率涡桨。运-9的涡桨6C的基本设计是苏联时代的东西，比C-130J的罗罗AE2100落后很多，严重限制了运-9的性能。如果传说中的运-30也最终成真，更取决于先进涡桨。为了适应更加灵活、分散的部署，中国可能还需要一级类似C-27的双发轻型运输机，同样依赖先进涡桨。运-20解决了大运的有无问题，但用途更加广泛的中运和轻运不能长期停留在退而求其次的状态。传说中的舰载预警机的飞行性能最终可能也取决于先进涡桨，这决定了舰载预警机的起飞重量、升限和留空时间。
" [: I) t% x3 L1 p7 V! A. b4 I1 @2 n1 c U8 L; C
在原理上，从适当的涡喷或者涡扇的核心发动机研发涡桨并不是太困难的事，难处在于可靠性和效率。核心发动机的转速太高，要降低到适合螺旋桨的转速，需要沉重、复杂、可靠性低的减速齿轮装置。但加拿大普拉特-惠特尼PT6系列涡桨提供了有用的新思路。; Z1 m9 c2 N5 Y3 {: r
0 X# ^& W9 X, P! _! h% ^( qPT6系列或许是历史上最成功的涡桨发动机，到2015年11月已经累计生产51000台，累计运转4亿小时以上，功率范围从580马力到1940马力。最值得称道的是可靠性：每65万飞行小时里低于1次空中停车。
' \! N! F, h: S7 v j7 O0 d
8 d% o: Y7 ^3 |: I% F! E![]()
, e& q, y$ f0 \4 Q: A% H. ^5 [. _% y2 L3 u% M# h
![]()
b5 D @! t2 q( k& R! r/ a成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计
/ h. |1 i, Z2 t0 d: N8 |2 N" z: z$ I
为了降低对减速齿轮的要求，PT6采用独特的逆流自由涡轮设计。自由涡轮说白了就是风车。在有风天里，小直径风车转速快，大直径风车转速慢，涡桨的自由涡轮也是一样的道理。当然，风车直径还要考虑其他因素，比如发动机直径和叶片受力，一步到位并不现实。但从较低的转速开始，减速齿轮装置可以较小、较轻、更加可靠，传动损耗也低。由于自由涡轮的转速与发动机转速脱钩，自由涡轮涡桨可以用单转子核心发动机实现双转子的效果，或者用双转子核心发动机实现三转子的效果，热力学效率显著高于直接驱动、齿轮减速的传统涡桨。
9 v0 _4 E1 ]6 K K( B) i J( _% b- a5 T* Z
![]()
6 H: A7 P1 Q! n3 T3 ], P# F9 ]; D0 N% y$ k
![]() 8 J' H: H* ^/ j2 l# Q5 y' e
# j7 P( i" z5 m![]()
M; X) C& G8 M! y这些外观上大同小异的教练机（从上到下：瑞士PC-9、巴西“巨嘴鸟”、韩国KT-1）都采用PT6涡桨，所以都有特征性的“小胡子”1 @/ i" D$ D N0 t9 H" J
+ O. e, F, ^) m
不过常见的螺旋桨飞机都是拉进的，这意味着PT6的核心发动机的喷气必须向前，喷气流吹动风车做功后，再转个方向，向侧后喷出。观察典型的采用PT-6发动机的飞机（如巴西“巨嘴鸟”或者瑞士PC-9），不难看到发动机喷口在很靠前的奇怪位置，几乎紧贴在螺旋桨后，好像两撇小胡子一样。正是因为这个独特的设计。进气依然在前方，绕过核心发动机后，从尾后折返向前，进入核心发动机。因此成为逆流设计。& k9 j. G' T# u3 i) ~
% e6 ~6 i x& O9 E& [
对于高速飞机来说，进气、喷气这么绕来绕去会造成可观的动能损失，但PT6主要用于中低速飞机，这个问题不大。进气在发动机尾转弯时，动能转化为压力，是有利于压气机工作的。喷气的能量在吹动自由涡轮之后，本来就没有多少动能了，只是排气而已，所以再转个弯问题也不大。
c& ?! P; x6 g l0 a/ o# z! f1 O& y1 p L1 Y! l
有意思的是，由于采用自由涡轮设计，PT6可以很容易地转型为直升机用的涡轴发动机，原则上只需要在自由涡轮的输出端加一个伞齿轮，把动力输出转90度就可以驱动旋翼了。对于PT6家族来说，PT6A是涡桨，PT6B和C都是涡轴，还有其他型号。
& ]& d2 h! }+ W* T" G6 {1 X" ?/ {; w. \+ X9 z/ S# t
善于倒立的马戏团演员正过来站着走也没问题，同样，PT6也可以用于顺流应用场合，螺旋桨改为推进，就像MQ-9“捕食者”或者“彩虹5”那样。直升机的涡轴发动机也有前输出和后输出问题，PT6作为涡轴的时候同样便于灵活使用。
# D* Y5 \4 t8 w/ J7 C' ^* F% t1 S7 c) F
![]() 0 \% L n0 G7 L1 ^# I- |
PT6也有用于直升机的型号，这是AC3134 i' E h' J3 k- T4 N
2 b, u7 u' H" N' d
PT6在世界上得到广泛应用，在中国也得到应用，运-12、直-8F和AC313都用PT6，如果不是美国作怪，直-10本来用的也是PT6。5 B7 M5 A% v9 z8 |1 @
- |& ]; C: [* G% ~$ A* z9 E" v1 PPT6这样把动轮轴和输出轴分开还有一个好处：两根轴都相对较短，受力情况大为改善。发动机的转轴不仅工作时受热、受力情况极其严峻，停车冷却时也有独特的烦恼。卸载冷却后，较长的转轴会“松弛”下来，产生些微下垂变形。这是正常的，但在启动时，需要慢慢加热“张紧”才能增加转速和出力。普拉特-惠特尼的齿轮减速涡扇（简称GTF）正是因为这个问题而推迟交付，致使超过100架空客A320NEO没有发动机可用，不能交货。但分成两段后，受力和受热情况都极大改善。PT6的启动是出名地容易。
( y$ y- d5 V4 L0 R! @, _6 g0 m, v! x2 \
但PT6从1963年投产到现在，尽管在不断改进中，基本设计已经很老了。这五十多年来，航空发动机技术发展迅速，但很多新技术没有在PT6体现出来。这也与一波又一波“涡桨过时论”有关，航发公司不愿意投资，挑战PT6。; N" O" c6 @' N* {9 }
+ f/ \* ?: v |
但涡桨非但没有过时，还需求旺盛。为此通用电气借用已经成熟的其他发动机技术，重新打造21世纪的PT6，这就是“先进涡桨”（简称ATP），现在改名“催化剂”，设计功率范围为850-1600马力。
' G! |: `# B; i: I, A4 \ W, H% Y( Q. o! j1 Z- u& w( O7 b
![]()
1 i6 ?4 N. L" q: e! c4 k+ `" x通用电气ATP涡桨1 n6 b7 f) r5 e/ F6 O# ^' Z- b
" j& P& ?3 H" O( ~! A4 h3 J5 {# M![]()
4 t6 Y# k/ Z# B1 Z! i; j- `也采用逆流自由涡轮设计* H$ _; X1 _& X) r
' W8 V$ r& ]& Q- h/ m& S![]() Z' ] p' ^( z0 ?
全面采用了新技术，技术水平大大超过PT6
0 U4 Q+ I+ R% M, { f5 L
; e1 Z/ ?# b! ~2 M% u( E![]()
# E# A: G/ s& [# u$ P力图把PT6的大蛋糕啃下一块来 E4 O) T0 p2 X: {$ L3 h& V
( P r2 H: @( F' p+ q4 M: j) g. R8 D, J
![]() ' @1 a) v. b L) P; t
从性能指标来看，很有希望) r& M8 }9 m" k$ E
' w( A8 j: g1 D ^. T1 r4 p![]()
6 N- a9 N. F. x4 S' S现在已有塞斯纳“德纳利”采用
" [! S7 r0 b7 |7 q% v8 y$ t* O% W9 e
ATP里35%的部件都使用钛合金增材制造（也称3D打印），按照常规制造方法需要用855个部件实现的功能缩减为12个部件，减重12%，对于降低油耗的贡献达到1%。不过现在还只限于固定部件，如框架、燃烧室器壁、机油泵体、出气口、轴承座、流道、换热器等，旋转部分如叶片和转轴还是用传统方法制造的。
0 g6 J$ l: i2 h# F R4 a; [9 y
8 [& E% B8 F, e8 M( T7 m3 @压气机采用先进的3D流体力学方法设计，采用可调导流叶片（简称VSV），使得压缩比达到16。可调导流叶片是通用电气的拿手好戏，解决了发动机喘振和效率问题。ATP还使用两极空心冷却单晶涡轮叶片，极大地提高了工作温度和热效率。三级反转自由涡轮则以最高效率和最优转速驱动输出轴，并抵消核心发动机的转动导致的章动效应。全权限数字发动机控制（简称FADEC）不仅控制发动机的工作，还控制变距螺旋桨的工作，在发动机和螺旋桨的工作状态之间实时优化，保证最高效率和最高可靠性。
3 v* u% c6 W/ X+ K3 b- V1 q$ n5 O" C- [$ E" d% p' w
与PT6相比，ATP的大修间隔从3000小时提高到4000小时，油耗降低20%，巡航功率增加10%。
% L1 I6 X/ x3 f# t* a4 c, m0 R- i% t0 T% z3 H. x. c8 o
ATP现在只用于塞斯纳“德纳利”，这是单发的7-9座小型通用飞机，使用的ATP为1300马力版。更多应用和更多功率型号只是时间问题，直升机使用的涡轴版也将水到渠成。# O# X G- ?4 @' b2 ?: d* E2 N4 s4 Y
4 C v$ {' t% O
对于中国来说，还可以把眼光放远点，因为涡桨、涡轴的核心发动机与中校推力涡扇可以通用。罗尔斯-罗伊斯AE2100涡桨用于洛克希德C-130J，但共享基本技术的T406用于贝尔-波音V-22，涡扇版AE3007则用于塞斯纳“奖状”公务机、巴西航空ERJ145支线客机和诺思罗普MQ-4C“海王”/RQ-4“全球鹰”大型无人机。这样的30-40kN级先进涡扇也是中国急需的，特别适用于大型长航时高空无人机。相比之下，中国“翔龙”等采用涡喷7实在是无奈之举，各种高性能无人作战飞机、高亚音速巡航导弹（包括在巡航段使用涡扇推进的反舰导弹、空地导弹、反潜导弹等）、教练机等都可得益于先进涡扇。* K8 K' O6 p3 i% e7 b0 {
. Q; E1 \8 B- x+ O+ H0 a![]()
9 _, ]; H# p& `' k; S6 f, `
, ~+ J) [% A7 U: @+ y+ H![]()
* m" z+ Y+ J9 i3 @( G& T ^8 X: m: x
![]()
. A; I0 T# C& e, p: ^. |2 {/ W
% c! G F. p1 k" i8 b![]() 3 Q6 [) Y1 o' Z% M4 C
o+ P7 \- l4 P5 y0 w( M; c* z![]()
0 f$ s) T. E( t) B9 t! g, u. u* s, S5 M5 P# ^
![]() * M, r' w1 r8 Z
这些飞机（从上到下：C-130J、“奖状”、MV-22、ERJ-145、全球鹰、通用原子MQ25方案）的任务、性能各异，但共用同一台核心发动机，这是中国大力发展中小推力涡轮发动机族的另一个意义
, S6 a+ Y( ^& n, u1 I3 C# j7 T. \2 [8 ~5 T) L5 G! A. c
中国航发在大举攻克大推力战斗机和高涵道比民用涡扇的同时，不应该忽视中小推力涡轮发动机家族（包括涡桨、涡轴、涡扇）。各种先进技术也可以首先在中小推力发动机上使用，为大推力发动机上的使用铺路，比如增材制造、FADEC等。! \( k- r3 n! |% b$ b: ~( ]. L
, b4 n* G! _& ^! U, K
更重要的是，成飞与沈飞的竞争启动了中国战斗机设计空前活跃的时代，中国航发的研发与制造有必要借鉴这样的模式。如果不在所有领域都保持平行竞争，至少避免“钦定”，鼓励二线厂所从中小推力发动机入手，积累经验，在条件成熟的时候涉足大推力发动机。
( _6 f5 p9 P3 _( n
) P& M4 Q' Z H3 {$ i2 K这远远不止是给新兴厂所练手的机会，中国对相应推力级的发动机有急切地大量需求。无人机、通用航空、运输机已经是很大的市场，直升机可能是更大的市场，中国陆海军的直升机化才上路。小推力涡扇方面，光巡航导弹就是很大的需求。实际上，按发动机台数和累计价值来说，这可能是比战斗机涡扇、民航机涡扇更大的市场，不能忽视。& F! q/ k+ |* u! o2 i _7 ^
* D+ L7 Y5 x S3 X7 ]在人们的眼光集中在大推力、高涵道比涡扇的同时，莫忘涡桨（和涡轴、小涡扇）。% d7 C. E. ]$ Q9 u0 _+ N
|
评分
-
查看全部评分
|
雷达卡
楼主
收藏
分享
淘帖
支持
反对
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
抢沙发
千斤顶
显身卡
发表于 2018-7-16 12:04:16
8 v7 J& T3 s+ Y0 T6 m5 m) Q
